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转子发动机 一种应用三角活塞旋转式运动的发动机
文章来源:汽车与运动evo  发布日期:2017-09-07

目前,在汽车上普遍使用的是往复运动式活塞发动机。但还有一种知名度很高,却应用很少的发动机,这就是三角活塞旋转运动式发动机——转子发动机,它的运动轨迹本身就是圆弧。

转子发动机又称为米勒循环发动机,它采用三角转子旋转运动来控制进气、压缩、做功和排气4个过程。尽管转子发动机做工也分为了4个过程,且这4个过程的名字也与传统往复式保持直线运动的活塞发动机的相同,可它们的做功型式却迥然不同。这种转子发动机由德国人汪克尔发明,并于20世纪60年代初,在德国生产出了第一辆装配转子发动机的小跑车。当时专业人士认为,这种发动机的结构紧凑、轻巧,且运转宁静、顺畅,也许将来会取代传统的往复式活塞发动机。1967年,马自达公司投巨资从汪克尔公司买下了这项技术,开始成批量生产转子发动机,并安装在自己的轿车上。至此马自达便将大量资金和研发力量投入到转子发动机的研发中。好在经过不懈地努力后,转子发动机独显出了它的优势,成为了马自达的拳头产品。

气缸内转子每转一圈,工作室的体积变化两次,实现内燃机的4个工作过程。转子发动机的运动特点是:三角转子的中心绕输出轴中心公转的同时,三角转子又绕其中心自转。在三角转子转动时,转子中心的内齿圈与输出轴中表面的外齿圈啮合,内外齿圈的齿数之比为3∶2。上述运动关系使得三角转子顶点的运动轨迹与气缸壁相重合。三角转子把气缸分成三个独立空间,三个空间各自先后完成进气、压缩、做功和排气,三角转子自转一周发动机点火做功三次。由于以上运动关系,输出轴的转速是转子自转速度的三倍,这与往复式活塞发动机的活塞与曲轴1∶1的运动关系完全不同。和偏心轴相比,转子有较长的转动周期,偏心轴转动三圈,转子转动一圈。当发动机转速为3000 r/min时,转子的速度只有1000 r/min。即使在高速运转中,转子的转速也相当缓慢,从而有更宽松的进气和排气时间,为获得更高的动力性能提供了便利,动力输出也更平稳流畅。

转子发动机的排气量通常用单位工作室容积和转子的数量来表示,单位工作室容积指工作室最大容积和最小容积之间的差值。例如,型号为13B的双转子发动机,排量为“654mL×2”。而压缩比同往复式活塞发动机一样,是最大容积和最小容积的比值。

转子发动机有以下几个优点:1)减小了体积,减轻了重量。在相同的输出功率前提下,转子发动机的重量是往复式活塞发动机的1/3。由于转子发动机将空燃混合气燃烧产生的膨胀压力直接转化为三角形转子和偏心轴的旋转动力,所以不需要设置连杆。进气口和排气口也是依靠转子本身的运动来打开和关闭,不再需要配气机构,包括正时齿带、凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧等。转子发动机具有均匀的转矩特性,在整个速度范围内有相当均匀的转矩曲线。对于往复式活塞发动机,活塞运动本身就是一个振动源,同时气门机构也会产生机械噪声。而转子发动机平稳的转动运动的振动相当小,因此能够更平稳和更安静地运行。转子的转速是发动机转速的1/3, 在转子发动机以9000rpm的转速运转时,转子的转速只有3000rpm。由于转子发动机没有高转速运动部件,如摇臂和连杆,所以,在高负荷运动中,更可靠和耐久。

相对于往复式活塞发动机,转子发动机的缺点是耗油量较大。这主要是转子发动机燃烧室的形状不太有利于完全燃烧,火焰传播路径较长,使得燃油和机油的消耗增加。而且转子发动机只能用点燃式,不能用压燃式,也就是不能采用柴油作为燃料。动力输出轴的位置比较高,令整车布置安排不太方便。另外,转子发动机的加工制造技术要求高,成本比较贵,因此推广困难。

最终,马自达公司为大力开发转子发动机这一决策付出了相当大的代价,转子发动机已经逐步走出了历史的舞台。